科學家首次實驗發現類似引力子的粒子

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幾十年來，物理學家一直在尋找引力子，即一種被認為攜帶引力的假想粒子。這些粒子從未在太空中被探測到，但現在，科學家在半導體中發現了類似引力子的粒子。利用它來理解引力子的行為，可能有助于將長期存在分歧的廣義相對論和量子力學結合起來。3月27日，相關研究成果發表于《自然》。

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圖片來源：zf L/Getty Images

“這是大海撈針般的發現。而引發這一切的論文要追溯到1993年。”美國普林斯頓大學的Loren Pfeiffer說。他與包括Aron Pinczuk在內的幾位同事共同撰寫了這篇論文。當后者于2022年去世時，尚未找到這種難以捉摸的粒子的線索。

量子糾纏是一種物理現象。當粒子對或粒子群以無法獨立描述每個粒子的量子態的方式產生或相互作用時，就會發生這種現象。面對新證據，物理學家開始將宇宙視為一個由糾纏聯系在一起的量子整體，而非由不同的層組成。

Pinczuk的學生和Pfeiffer等合作者現在已經完成了二人從30年前開始討論的實驗。他們將注意力集中在一塊平坦的砷化鎵半導體內的電子上，它被放置于強力制冷機里，并暴露在強磁場中。在這些條件下，量子效應使電子表現得奇怪——它們彼此之間強烈地相互作用，形成了一種不尋常的不可壓縮液體。

這種液體并不平靜，而是具有所有電子協同運動的集體運動特征，這可能會產生類似粒子的激發。為了檢驗這些激發，研究人員將一束精心調諧的激光照射在半導體上，并分析從半導體散射出去的光。

這揭示了激發具有一種量子自旋，這種自旋只存在于引力子中。雖然它本身不是引力子，但卻是人們所見過的最接近引力子的東西。

美國哥倫比亞大學的Ziyu Liu參與了這項實驗。他和同事知道類似引力子的激發可能存在于他們的半導體中，但花了數年時間才使實驗精確到足以探測到它們。

事實上，這個實驗并不是一個真正的時空模擬——電子被限制在一個平坦的二維空間里，比相對論控制的物體運動得更慢。

美國佛羅里達州立大學的Kun Yang沒有參與這項工作。他認為它“極其重要”，并以一種此前被低估的方式連接了物理學的不同分支，如材料物理學和引力理論。

不過，英國利茲大學的Zlatko Papic警告說，不要把這項新發現等同于在太空中探測到引力子。對于新實驗中的電子系統來說，二者是完全等效的，可以成為某些量子引力理論的試驗場，但并不適用于宇宙尺度上在時空中發生的每個量子現象。